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两原子轨道为什么形成两个分子轨道?

2023-04-07 22:52| 来源: 网络整理| 查看: 265

这个问题可以从不少层面和角度回答,但我所理解的角度都不太能让我满意,所以我只能想到哪说到哪()

事实上,这个问题分为两个问题:

为什么原子轨道会形成成键和反键轨道。举例的话就是“为什么两个2px轨道会结合为两个分子轨道π,π*?” 这个比较好回答。为什么轨道数量守恒。想来这个问题的答案应该被隐含在波函数的解中,但我不会!

所以,我先回答一下第一个问题再试图回答第二个()

首先是比较简单的思考:假设我们结合两个满的1s原子轨道,那么我们至少需要两个分子轨道,不然你的四个电子没地方可去了。所以,我们需要解释为什么两个s轨道不能结合出114514个分子轨道。

上面的思考有不少问题,第一个是:凭什么一个轨道能包含两个电子?

MPOC p. 818

事实上,我们最开始构建的波函数完全不需要假设一个轨道拥有两个电子。相反,每个电子都可以拥有自己的轨道,只是由于自旋相反已经满足了波函数必须是反对称的条件,我们可以假设每一对自旋相反的电子只有一个波函数,这也就是原子轨道的由来。

其次:为什么原子轨道不能结合出114514个轨道?

答案是不需要结合,本身氢原子就能算出114514个[1]轨道。这114514个轨道混来混去自然也可以结合出1919810个轨道。对于‘反键’轨道为什么存在这件事,我觉得本身就不需要纠结。观察下图:

Benzene

图中是苯的分子轨道[2]。左上角可以看到σ骨架,四行一列的两面包夹芝士形状就是苯环传统意义上的“大π键”或者“6电子芳香系统”,总之称之为成键轨道没有问题。那么,剩下的那些奇形怪状的轨道呢?大部分称之为反键轨道都没问题吧?事实上,成键和反键轨道在我的理解里只是对于我们使用LCAO构建(估算)分子轨道时所建构的分子轨道的一种很好用的描述:成键轨道能量比AO低,反键轨道能量比AO高。

LCAO-ΜΟ

那么问题来了:为什么轨道数量守恒呢?为什么1s和1s结合只有1σs和1σs*两个分子轨道,而不是三个四个呢?这个问题用分子轨道理论非常不好回答,因为答案是这是MO theory假设分子轨道由原子轨道线性组合(LCAO)构成所导致的必然后果,而如果你打破砂锅问到底问到底为什么要这么假设那可能需要更高深(ie. 我不会的)的物理化学。

话说回来,LCAO是什么呢?就是假设波函数就是波,而我们通过以某种比例'混合‘两个原子轨道的波函数就会获得这两个原子的’分子轨道‘。而通过改变这个混合的比例,我们最终会获得一个整体能量最低的分子轨道。问题在于,LCAO的假设之一就是n个原子轨道组成n个分子轨道。

说到这里,我发现我基本还是完全没有回答这个问题,最主要的原因是不想用我自己也还没学明白的Natural Bond Orbital。如果你不想像我一样,那你有几个选择()

接受LCAO的假设,这样你就可以轻松理解为什么有俩轨道:一个相长一个相消干涉,两个原子轨道ψa和ψb线性组合无非是ψa+ψb和ψa-ψb,这样你就获得了俩轨道。不接受这个假设,学习量子化学(或者你等我有朝一日学明白了可能会回来更新答案并且乐自己)也有可能,你的问题是为什么两个原子轨道结合出来不是一个分子轨道而是两个。如果是这样,那同样可以参见1。参考^Citation needed^D.-S. Lühmann, C. Weitenberg, and K. Sengstock, Phys. Rev. X, 2015, 5, 031016,


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